输油管道监控系统设计(1)

输油管道监控系统设计摘 要工业社会对石油的需求逐渐加大，长距离输油管道的监控问题变得越发重要。针对常规的监控监测耗时、费力、难于实时监控监测的弊端，本文将基于负压波的泄露检测技术与传感器网络技术结合，设计了输油管道监测及无线传输系统。本文首先阐述了管道监控系统研究的背景和意义，介绍了现今国内外管道泄漏的检测技术研究现状，阐述了管道运输面临的问题，分析了负压波法检测方法，通过对管道内信号的采集，判断管道是否发生泄漏，并对泄漏点定位。本文采用无线传感器网络、GPRS技术来实现远程监控。 采用以无线传感器网络技术为核心的网络架构对输油管道进行实时监控，利用负压波法对泄漏点的压力进行采集，并且将采集到的负压波信号进行处理，然后通过无线通讯网络传输到主控机，进行实时的监控。并且本文也对无线传感器输油管道监控系统的总体设计以及硬件和软件的模块进行分析和选用。对其无线网络节点进行介绍。以无线网络节点及无线通讯技术相结合，并对系统的各个模块进行分析和选型。逐步的介绍了从管道的监控及数据的采集进行分析。并通过网络节点的运用对接收的信号进行处理，并利用无线通讯技术与主控机或用户进行通讯，达到时刻监控的效果。关键词:输油管道；无线传感器网络;负压波法; 监控Oil Pipeline monitoring system designAbstractThe increase demand for oil in the industrial society, long distance Oil pipeline monitoring problems have become increasingly important. Routine monitoring of monitoring time-consuming, laborious, difficult for real-time monitoring, this paper will be based on negative pressure wave leak detection technology and sensor network technology, pipeline monitoring and wireless transmission system is designed.This article first elaborated the research background and significance of the pipeline monitoring system, this paper introduces the current research status of pipeline leakage detection technology at home and abroad, this paper expounds the pipeline transport problems, analyzes the negative pressure wave method to detect method, signal collection, through the pipe to determine whether a pipeline leakage, and the leak point positioning. Based on the wireless sensor network, GPRS technology realize remote monitoring. Based on wireless sensor network technology as the core network architecture to constantly monitor the pipeline leak point pressure to make use of negative pressure wave method, and the negative pressure wave signals were collected for processing, then through the wireless communication network transmission to the master machine, the real-time monitoring. And this article is about the overall design of a wireless sensor pipeline monitoring system and the hardware and software modules are analyzed and selected. It is wireless network nodes is introduced. And wireless communication technology combined with wireless network nodes, and the various modules of the system analysis and selection. Gradually，it introduced from pipeline monitoring and data collection and analysis. And through the use of the network nodes to receive signal processing, and the use of wireless communication technology and the main control machine or the user communication, to achieve the effect of time monitoring.Keywords: oil Pipeline; Wireless sensor network; Negative pressure wave method; monitoring 目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1课题的背景11.2国内外研究现状及分析31.3 本课题的研究内容42 负压波法泄漏检测52.1 泄露检测技术52.2负压波泄漏检测原理72.3.2 负压波到管道首尾两端传播时间差的求取92.3.3 管道运行工况识别113 输油管道泄漏监测系统总体设计123.1系统的功能和监测原理123.2无线传感器节点的组成143.2.1 节点功能分类143.2.2 节点的类型143.3网络拓扑结构153.4 网络组网方式164 系统的硬件设计184.1硬件的组成184.2 硬件的分类184.2.1.压力传感模块184.2.1.微处理器模块184.2.3.无线通信模块194.3模块硬件的选择194.3.1压力传感器模块的选择194.3.2 处理器模块的选择224.4数据采集244.4.1 PCI-1710HG数据采集卡244.4.2 PCI-1710HG数据采集卡在系统中的应用255 系统的软件设计295.1软件系统的组成295.2 硬件系统模块的分类295.2.1 人机接口模块295.2.2 数据显示模块305.2.3 数据处理分析模块305.2.3 数据存储模块305.3无线通讯模块315.3.1 远程监控系统315.3.2 GPRS简介325.3.3 GPRS原理及结构345.3.4 TCP/IP协议346 结束语37参考文献38谢 辞40V1 绪论1.1课题的背景石油管道13是我国重要能源物资运输的一个重要方面，是国民经济的动脉，在国民经济建设和国防建设中发挥着不可替代的作用。近年来，随着我国经济的持续发展，国家对石油管道的依赖性逐渐提高，政府对管道的监管力度也逐渐加大，因此管道的正常运行涉及到方方面面的利益。石油管道监测是保证石油管道正常运行的重要保障之一，它的主要任务就是监测管道是否有泄漏，管道泄漏46的主要原因有两个方面：一方面是人为非法打孔盗油所造成的油气泄漏，这些泄漏如果不能及时发现，不但会造成较大的直接经济损失，也使管道的安全性出现重大隐患；另一方面是管道时时刻刻都会受到因地震、洪水、滑坡等引起的大地移动、地貌变化、非法的管道占压和分流的影响和自然灾害，如果没有监测手段及时发现，后果将不堪设想。除了监测泄漏之外，还需要监测管道是否变形等情况，或通过视频监控系统监控石油管道周边的情况，以便判断管道安全是否受到外界潜在的威胁。因此，石油管道监测系统的研究与应用成为油田亟待解决的问题，研究设计石油管道监测系统79是必要的，先进的管道监测技术可以及时发现泄漏，迅速采取措施，从而大大减少盗油案件发生，减少漏油损失，具有明显的经济效益和社会效益。输油管道泄漏检测的性能指标要求：由于管道输送1015具有稳定、安全、成本低、节省能源等优点,管道运输在世界范围内迅速发展,己成为现代社会不可缺少的组成部分，为了保障输油管道的安全和稳定，要求管道泄漏检测系统具有下列基本特性：1.泄漏检测的灵敏性。管道泄漏检测系统检能够检测出从管道渗漏到管道断各种情况的泄漏情况，并发出正确的报警提示。2.泄漏检测的实时性。管道泄漏检测系统要能实时地检测出管道泄漏故障，以便管理维护人员能立刻采取行动，减少损失。3.泄漏检测的准确性。在噪声干扰下管道发生泄漏后，管道泄漏检测系统能够准确地检测出泄漏的发生，并及时报警。4.泄漏定位的精确性。当长输管道发生泄漏时，管道泄漏检测系统能提供给管道管理人员精确的泄漏点位置，以便管道维修人员尽快到达泄漏点，对泄漏点进行修复，减小损失。5.管道泄漏检测系统的鲁棒性16。系统应具有一定的稳健性，在存有噪声干扰时能正确、可靠的完成检测任务。6.管道泄漏检测系统的易维护性。当检漏系统发生故障时，其装置要容易调整，并能快速维修好。7.检漏系统要具有较高的性价比。检漏系统的性能与该系统建设、运行及维护费用的比值要高。管道运输面临的问题随着管线的增多，管龄的增长，由于施工缺陷和腐蚀等问题和人为破坏的存在，管道事故频频发生，给人们的生命财产和生存环境造成了巨大的威胁。因此应对泄漏发生的原因应有足够的了解，以利于分析判断，管道泄漏一般由下列原因造成：(1)管道材质本身质量不良，存在砂眼或涂层损坏，造成泄漏；(2)管道接头安装不良造成泄漏或阀门泄漏；(3)地下工程施工时损坏管道导致泄漏；(4)重物重压，使地基下沉，致使管道开裂；(5)由于地质构造原因使地基下沉，造成管道开裂；(6)人为盗油造成管道打孔17。目前我国大庆、胜利、大港、辽河、华北、中原等油田，很多管线已达设计年限，正处于超龄服役阶段。特别是有些在文革期间修建的管道，现场施工质量和管道防腐状况均较差，较常发生泄漏事故。打孔盗油的不法分子一般在夜间打孔，安装阀门，盗油，且管道埋地较深，盗油现场处理得很隐蔽。通过常规的巡线检测方法很难找到盗油点，为了及时发现泄漏事故，减少油汽损失，维护管道的正常运行，同时打击猖撅的盗油犯罪，除了从立法上加强保护外，技术上也给泄漏检测提出了更高的要求。1.2国内外研究现状及分析输油管道系统是用于运送石油及石油产品的管道系统,石油管道是我国重要能源物资运输的一个重要方面，是国民经济的动脉，在国防军事18、环境检测19、农业、诸多领域得到了广泛的应用。从上世纪七十年代开始，便开始了各种各样的管道泄露检测方法的出现。从最开始简单的人工分段沿线检测到比较复杂的软硬件相结合的方法，使得管道检测技术不断提高、灵敏度和定位准确性方面也有了长足的进步。自上世纪八十年代初国外开始了现代管线泄露检测技术的研究。如今在输油管道检测的自动控制研究中形成较为成熟的理论体系和技术，诸如检漏电缆法、导电高聚合物检漏法、红外线检漏法、质量平衡法、负压波检测法20、管内智能爬行机等等诸多方法的涌现，极大的提高输油管道检测技术。目前先进国家多采用负压波法、智能爬行机法、分布式光纤21等方法。我国管道工业起步比较晚，泄露检测技术相对落后。自八十年代末由清华大学、天津大学、中原油田、华北油田、大港油田等对这方面的开展研究，并且在管线泄露检测理论方面取得了一定的成果和经验。针对管道泄露检测技术，目前国际上最为就行的检测方法为负压波检测，负压波检测可以根据泄露点泄露的流体22瞬间喷出所产生的压力波来计算出泄露点的具体位置。与传统巡线方式相比较，负压波法可以节省大量人力物力，只需要在管道壁安放若干节点7变可以在泄露时第一时间发现泄露点位置并通报。无线传感器网络2330曾经在美国的商业周刊发表一篇文章中被列为未来四大新技术之一，技术评论也对无线传感器网络技术十分看重，把无线传感器网络技术排在未来新兴的十大技术第一位。无线传感器网络技术将会给信息感知和采集技术带来一场重大变革，将对人类的生活和生产带来深远的影响。在学术界和工业界很多专家学者都对无线传感器网络技术产生了浓厚的兴趣，2003年美国自然科学基金委员会对于无线传感器网络技术的发展和研究制定了专门的计划，美国各军事部门和国防部对于无线网络技术在战场上的应用充满期待，并启动了相应的计划。工业上。美国Desert Mountain公司对无线传感器网络深入研究，研制成功了可以根据需要对高尔夫球场的草坪实行自动灌溉的技术。在中国，无线传感器网络技术也开始得到重视，开始在军用和民用上投入大量研究，其中以清华大学、哈工大、北京邮电大学、西工大等为代表高等院校以及众多科研院所对这一研究计划。并得到相关资助1.3 本课题的研究内容基于以上描述，无线传感器网络技术日渐成熟并且在多领域内得到了广泛应用，因此将无线传感器网络技术与输油管道检测技术相结合的设想具备了实现的可能。由无线传感器网络组成的输油管道无人检测将大大降低检测成本，并且能快速、准确的、实时的监控。参考大量文献基础上本文主要研究内容如下: （1）分析了负压波检测技术的原理以及对漏点定位计算； （2）掌握无线传感器网络基础技术的系统的功能和监测原理 ，输油管道泄漏监测与定位系统进行了总体设计，然后对系统的硬件和软件部分进行了介绍。并确定具体的漏点位置。 预期目标：若泄漏点两侧装有传感器节点，则在泄漏点两侧的传感器节点将检测到负压波信号，根据传感器节点在检测时间上的不同、负压波的梯度特征上的不同以及压力变化率等相关信息，通过信号处理的方式便可计算出泄漏的程度以及管道泄漏点的具体位置。2 负压波法泄漏检测2.1 泄露检测技术 石油输送过程中输油管道的泄露已经成为安全生产中的最大隐患。通常情况下我们给泄露的定义:在使用过程中,在密闭容器、管道、设备等内外两侧存在压力差,由于压力的作用使得在容器内部的介质在不允许流动的部位通过孔、毛细管等缺陷处渗出、漏失或者在可以流动的部位流动的剂量超过允许的范围,这种现象叫做泄漏。由此可见泄漏点和压力差是形成泄露的根本原因。 目前对于检测技术主要有采用三种方法: (1) 数据采集与监控系统(SCADA, supervisory Control and Data Acquisition):主要功能是负责泄漏检测。通过传感器对于管道某些点的流量、温度、压力等参数进行测量,并且将测量出的数据传送给控制中心。在控制中心通过对采集的数据进行分析处理来确定管道是否发生泄露。 (2) 空中与地面巡线:通过将检测装置安装到直升机或者汽车上,沿着管道线进行检测。 (3) 靠第三方报告:在管道沿线设立标志,公布管道公司电话,一旦有人发现管道泄露便可以第一时间通知公司。 自动检测管道泄露系统的应用可以及时的、准确的报告出泄漏事故的地点和泄露的程度,从而最大程度上的减少了管道泄露所带来的经济损失和对环境的污染程度,因此设计自动化管道检测系统是非常有必要的。 负压波检测法在快速诊断法中占据重要地位。在泄漏发生时，泄漏处立即产生因流体物质损失而引起局部流体密度减小出现的瞬时压力降低和速度差，这个瞬时的压力下降作用在流体介质上就作为减压波源通过管道和流体介质向泄漏点的上下游以声速传播。当以泄漏前的压力作为参考标准时，泄漏时产生的减压波就称为负压波。其传播的速度在管道和输送的流体中并不相同，在天然气中大约为 300m/s，在液体油中大约为1200m/s。设置在泄漏点两端或泵站的传感器拾取压力波信号，根据两端拾取压力波的梯度特征和压力变化率的时间差，利用信号相关处理方法就可确定泄漏程度和泄漏位置。同时输送油气和管道吸收能量也使得负压波振荡的物理参量特征减弱。压缩机和泵机组的运行交变压力噪声、调阀时压力的瞬间变化和管道沿线输送油气进出管道时产生压力变化等因素给采集泄漏信号造成很多困难。负压波法是目前国际上应用较多的管道泄漏检测和泄漏点定位方法。清华大学与中国石油天然气东北输油管理局在铁秦管道新民黑山站、天津大学和新乡输油公司在中洛管道濮阳滑县站间均采用了负压波法的泄漏实时监测系统。如何识别泄漏引发的负压波是提高负压波法检测准确性和灵敏度的关键技术之一。清华大学根据上述两种压力波传输方向相反的特点，采用在站内及在站外 2Km 处各安装一个压力传感器（P1.p2）的方法，按两个传感器接收压力波的先后顺序进行判别。将 P1的输出延时后与 P2相减，提取泄漏信号的特征，但由于信号处理方法的缺陷，检测灵敏度不高。此外，站外传感器维护的困难也影响了该系统的推广。天津大学研究了站间的两端各只用一个传感器，采用模式识别方法，通过提取两种压力波不同的结构特征进行判别。结构模式识别应用的要素是识别对象具有可识别的形状特征。在油田的大量试验中发现，泄漏引发的负压波形特征与调泵调阀引发的负压波形有很大的区别。但调泵、调阀所产生的负压波波形特征的随泵、阀、管道、输送介质的不同而变化，而且对负压波形的描述是通过对波形的分段符号化处理实现的。根据大量的试验结果，将管道负压波形分为稳定段、剧变段和持续段，并在不同的波形段内选用不同的基元形式送入模式识别与分类系统，采用自上而下的模式剖析算法识别与输入模式相匹配的模式识别类，从而判断泄漏是否发生。但该方法经现场检验，效果并不理想。负压波检测法的优点是检测速度快，操作人员少。随着新型高精度传感器的使用和高速计算机的发展，信号检测和信号处理技术正朝着以软件和硬件相结合的方向发展。特别是人工神经网络的模式识别技术的有效开发使用，负压波检漏方法具有更大的应用前景。针对泄漏时压力波传播现象的某些特征，可以采取适当的检测方法。基于既定的输油管道，如果流体的物理性质(比重、容积弹性系数)已知，则可以求出压力波的传播速度。若同一种流体压力波传播速度基本保持不变，则测出压力波就能推算出泄漏地点。由于泄漏所引起的压力变化必然导致压力下降，这与人为地开关阀门或启停泵时所产生的过渡现象截然不同，后者在操作点的上下游呈现出一端压力高，一端压力低的现象。因此，根据压力波动的情况能比较容易判断是否泄漏。 由于大庆油田管线泄漏主要原因是人为的原油偷盗造成的大量泄漏，因此管线泄漏检测的主要目的是迅速准确的发现管线泄漏和泄漏的位置，从而达到降低损失、打击原油偷盗行为的目的。负压波法由于其成本费用低、维护量小且能快速检测泄漏的优点，极其适合于油田集输管线因人为偷盗原因产生的漏失检测。是一种受到广泛重视的泄漏监测方法。 本文重点在于研究负压波法泄漏检测的问题。即利用传感器技术如何识别泄漏引发的负压波，利用数字信号处理技术提高负压波法检测准确性和灵敏度，根据两端拾取压力波的梯度特征和压力变化率的时间差，利用信号处理方法就可以确定泄漏程度和泄漏位置。2.2负压波泄漏检测原理流体在管道中处于稳定的运行状态时，输送流体的管道内部具有很大压力。当输送管道因机械故障损坏和被破坏等原因而发生的泄漏时，管道内的流体在管道内外的压力差的作用下将从泄漏点迅速的流失，由此会引起管道泄漏点处的流体产生一个瞬时的压力降。由于流体的流动是连续的，管道内部流体的流动不会立即发生变化，泄漏点周围的流体会向泄漏点填充，从而在泄漏点两边的区域会产生一个压力降，依次向管道的首尾两端传播，这种压力降向泄漏点两边传播扩散的现象被称为负压力波。负压波产生后会沿着管道向泄漏管道的首端和尾端传播，其传播的速度较快，与声波在管道内流体中的传播速度相当。在管道的首尾两端安装压力传感器能够准确的捕捉到漏点产生的负压力波，负压波的波速可以根据公式来求取，负压力波传播到管道首尾两端的时间差t可以根据首尾两端压力传感器捕捉到负压波的时间t1， t2的差值来计算，从而通过公式对泄漏点进行定位。应用负压波的检测方法检测管道的突发泄漏状态，具有较高的灵敏度，能够实现比较精确的泄漏点定位，如图2-1所示。图2-1 负压波检测原理在这里，我们设定负压波波速用字母a表示，流体在管道中的流速用V来表示，被测管路的长度用L来表示，管路泄漏点距离被测管路首端压力传感器的距离用X表示，单位为m，负压力波到达管道首端和末端的时间分别用t1和t2来表示。令 t= t1- t2则有： (2-2) (2-3)负压波的波速的值一般大于1000m/s，而流体的流速v的值一般在2m/s左右，由于负压波波速远大于流体的流速V，因此在计算中可以将的值v忽略不计，由此可将上式简化为： (2-4)式中：X表示管道泄漏点距离被测管路首端传感器的距离，单位为m;L表示被测管路的长度，单位为m;a表示负压波的传播速度，单位为m/s;t表示负压力波传播到被测管路首尾两端传感器的时间差，单位为S。式2-5中L为已知量，a和t为未知量，待求。下面给出a和t的求取方法。2.3 负压波法的管道泄漏检测方案2.3.1 负压波波速的求取负压波波速的求取公式如下所示： (2-5)式中：K表示管路中流体的弹性系数，单位为Pa;P表示管路中流体的密度，单位为Kg/m3;E表示管路的弹性模量，单位为Pa;D表示管路的直径，单位为m;E表示管路管壁的厚度，单位为m;C1表示管路的修正系数。其中K和P是关于流体温度的函数。由于K和P是关于流体温度的函数，因此需要在被测管段上安装一个温度传感器，测出实验时的温度值，根据测出的温度査阅相关资料，得出K和P的对应值，其余的参数均可通过査阅文献资料来得到，并带入进行计算，从而求得负压波的波速a的值。2.3.2 负压波到管道首尾两端传播时间差的求取精确的确定负压波到管道首尾两端传感器的时间差t，是定位管道泄漏点的一个关键点。为了保证管道首末两端采集的压力信号序列的起始时间的一致，在分析管道泄漏引发的负压波信号序列和确定负压波信号传到管道首尾两端传感器的时刻时，必须要保证首首尾两端的压力信号序列的起始时刻是一致的，这就要求首尾两端的数据采集系统的系统时间必须是一致的。另外，要精确取得压力信号的突变点，在硬件上要保证压力传感器的工作时间一致，软件上要保证在分析采集到的压力信号之前要先去除干扰信号，然后通过信号分析得到信号的突变点.应用负压波检测法对管道泄漏检测,检测时主要方法可分为三种: (1) 相关分析法 相关分析法将测得的压力信号进行处理,首先去除均值,然后求取差分信号,然后进行计算相关函数。当没有泄漏时,相关函数值为零。如果发生泄露,则相关函数会有明显变化,由此可以检测出管道发生泄漏进而求出泄漏点的具体位置。相关函数法主要优点是灵敏、准确、计算量小,但是缺点是当泄露速度慢、负压波产生不明显时该方法将失去效果。 （2） 时间序列分析法 通过对系统检测到压力信号的时间序列进行分析,从而求出泄漏点的方法成为时间序列分析法。该方法的基本思想是:根据传感器节点测得的压力梯度信号来构造出正常状态和泄漏状态的两个时间序列,用Kullback 信息检测来对这两个构造出的时间序列进行分析,与预先确定好的阈值进行对比,测算出管道是否出现泄露。该方法计算量小,检测灵敏度高、速度快,但是该方法只能检测出管道是否有泄漏,对于泄漏点的具体位置无法计算出来,因此只能与其他方法相结合来检测管道泄漏问题。 (3) 小波变换法 小波变换是一种时间和空间相结合的分析方法,在时域和频域内对表征信号进行分析处理。小波变化可以通过极值来检测出信号的边沿,并且对噪声有很好的抑制作用。由此可以看出利用小波变换对负压波的下降沿进行检测,通过负压波传播到两侧传感器节点的时间差来计算出泄漏点的具体位置。小波变化灵敏度高、计算准确,但是抗干扰能力差,容易误报。 2.3.3 管道运行工况识别在管道传输过程中，除管道状况发生变化(主要由于泄漏造成)外，传输工况的变化，例如启停泵、调节流量阀，以及改变输油温度等，也将影响管道首末端参数的平衡状态。正确区分检测信号的不正常波动是由于工况变化还是管道状况变化引起的，可以进一步降低泄漏检测的误报率。 管道系统是自平衡系统，管路的流量是泵站的排量，输油泵的总扬程就是管路的总压力降，所以研究管道的工作状况必须把泵站和管道系统统一考虑。通过分析可以得出如下结论：当管道发生泄漏时，上一站的出站压力有所下降，而流量有所升高，下一站的进站压力、流量都有所降低。3 输油管道泄漏监测系统总体设计3.1系统的功能和监测原理为了保证系统的能够优质高效的完成监测任务，新一代系统可以采用无线传感器网络（WSN）技术.其由大量互联的传感器节点，通过无线远程互通，形成一个可对大型区域进行信息采集的网络系统。其目的是完成其所在区域的有效泄露压力异常信号采集，并在完成采集信息融合之后把信息传输到终端，分析识别。运用无线传感网络能够构建一套及时性和准确性都符合标准的输油管道泄露监测系统。本文介绍的基于无线网络的输油管道监控系统主要从两方面针对管道进行设计：(1)检测定位：在输油管道沿程各监测点安装检测仪表，可以通过负压力波检测方法，采集管道状态数据，准确检测漏油点。(2)远程监控：本系统利用GPRS技术，把采集到的管道状态数据及时发给中心计算机。通过对数据进行分析处理，得到泄漏点的具体位置，及时组织施工维护管道，直接减少经济损失。 图3-1 无线传感器网络输油管道监控系统它通常包括如下功能:完成管道内部出现漏点时会产生突变压力波传送到采集的硬件压力传感器节点,负责实时监控管道内部的压力变化；处理传感节点采集上来的压力信息，负责调控各个区域内的传感节点动态信息变化；能够通过自组织的庞大的管道压力波采集、处理、报警系统。压力波传感器信息采集节点为了保证节点信息能够准确的到达处理终端，可对压力波信息通过不同的传感连接点进行转发，在压力数据传递的过程中，能够被分布在管道周围的其他节点处理，经过多个压力传感节点的有效传递到达系统的信息处理终端，也就是最终的管道泄露管理终端，用户则通过管理终端对传感器管道监视系统采集的实时信息进行配置和管理，确定泄露位置，完成及时定位报警。图3-2是系统的硬件模块的组成方便对系统的理解.图3-2 系统的硬件模块组成 由图可以看出本次设计硬件分为四大模块，第一部分是对管道部分进行信号采集的传感器模块，它主要是对管道内的压力进行测量并采集，将采集到的信号进行信号调理并通过AD转换将信号转换成被处理器识别的信号。第二部分是处理器模块，将接收来自传感器模块的信号并与下一个无线通信模块进行通信，建立串口输出。第三部分是无线通讯模块，它是实现无线传输的重要部分，通过网络协议将采集的信号与主控机进行信息连接。此部分在第五章会重点介绍。而能量供应和管理模块是为以上三个模块进行电量的供给。本章先对无线传感器模块的网络节点进行介绍。3.2无线传感器节点的组成输油管道泄露监测系统中,最为重要的是负责压力波实时集的传感器节点，无线传感器网络节点就其功能可分为全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD),为了达到节约成本的目的,对于不同功能的节点在处理器芯片、射频芯片等硬件选择会有所不同。本章将重点介绍针对全功能设备(FFD)与精简功能设备(RFD)两种不同功能节点进行硬件电路的设计。 3.2.1 节点功能分类 根据网络节点在网络中所提供的功能的不同,可以将网络节点分为两类:一种是全功能设备(Full-Function Device, FFD),另一种是精简功能设备(Reduced-Function Device, RFD)。 全功能设备(FFD):在无线传感器网络中通常作为网络协调节点。具有控制器的作用可以与其他网络节点实现通信;FFD 具有强大的存储和计算功能,可以拥有 802.14.5 指定的全部功能和所有的特点,既可以在网络中充当网络路由器也可以作为终端节点使用。 精简功能设备(RFD):相对于 FFD 来说 RFD 的功能比较简单,存储容量相对较小,但是费用低,可以降低网络成本,在设计无线传感器网络终端节点时可以考虑使用精简功能设备。 3.2.2 节点的类型 根据节点在网络中的配置可以分为三种:中心协调节点、路由节点、终端节点。 中心协调节点:一个区域网络中有且只能有一个由 FFD 设备构成的中心协调节点。在该网络中负责网络的建立、网络参数的配置、网络地址的分配、节点相关信息的存储等等,因此对网络节点的存储和计算能力要求较高,需要较复杂的配置。 路由节点: 网络通过路由节点实现数据的转发、实现路由网络的建立,在网络中可以作为父节点是得其他网络终端节点加入从而扩大了整个网络的覆盖范围。路由节点也必须是全功能设备 (FFD)。 终端设备:终端节点在网络中只能充当子节点的角色,没有路由能力。终端节点不能作为中介使其他节点加入网络,只能通过父节点将信息传送给中心节点。终端节点可以是 FFD 也可以是 RFD。 图3-3给出了不同配置的节点所组成的无线传感器网络图3-3无线传感器网络不同配置下的节点3.3网络拓扑结构 网络拓扑结构主要分为三种,如图所示,第一种为星型(Star)网络拓扑结构、第二种是网形(Mesh)网络拓扑结构、第三种是树形(Cluster-Tree)网络拓扑结构。每种的结构都需要有一个网络中心节点负责整个网络的组建和管理,同时需要若干网络协调节点负责将网络扩大,使得其他终端节点可以加入网络中来。具体结构示意图如下图3-4所示图3-4 网络拓扑结构图(1) 星型结构 星型网络是由一个网络协调节点为中心其它设备均与该中心实现相互通信的结构。中心协调节点为全功能设备,其他终端节点可以是 FFD或者 RFD。该结构适用范围小的地区。 (2) 网型结构 网型结构需要一个中心节点和若干网络协调节点构成,中心节点负责网络信息管理,设备身份认证等。与星型结构不同,网型结构中协调节点可以不通过中心节点而直接互相通信。网络可以实现多跳路由实现点到点的通信。网型结构容错能力和可靠性都比星型结构强,源节点有多跳路径可以传输信息。同时用多跳代替单跳传递信息可以降低单个节点的传输距离和发送功率从而降低能量消耗。 (3) 树型结构 树型网络结构由较多的 FFD 和部分末端节点 RFD 构成。每一个 FFD 都可以作为协调节点为其他设备提供服务。网络中的中心节点需要强大的存储和计算能力。与其他结构相比树型网络覆盖范围更大,因此在通讯上也会变得更加复杂。 3.4 网络组网方式 网络是由一个网络中心节点首先发起建立的。首先网络中心节点在建立网络之初会进行能量探测和主动扫描,选择一个没有被周围其他网络使用的空闲信道,选定自己的 16-bit 网络地址、网络唯一标识符以及网络拓扑参数等相关信息,确保与其他网络不发生冲突。设定完毕中心节点便可以接受其他网络节点的申请,加入其他节点来组建网络。 当一个新节点想要加入网络时便会向网络中协调节点提出关联请求,当协调节点接受该节点请求之后该节点将网络标识改为与中心节点一致。当有节点想要推出网络时也会发送请求,此时该节点的父节点处理请求之后便可与该子节点解除关联关系。4 系统的硬件设计4.1硬件的组成 输油管道泄露监测系统中,最为重要的是负责压力波实时集的传感器节点，由一个个分属不同功能的信息处理模块组成，各个模块协同工作，保证传感节点的正常功能，一个完整的压力波传感节点的结构如图3.2 所示。4.2 硬件的分类4.2.1.压力传感模块 该模块负责对大范围区域内管道中的压力异常信息进行采集，利用负压波法对管道将进行检测，若发生泄漏，这漏点的压力会产生变化并向两侧传播，通过压力传感器进行检测。主要是压力波的异常变化信息。传感器是一种将压力、声音、温度等各种非电物理信号转换为电信号的装置。它的工作机理基于各种物理、化学和生物效应，并受相应的定律和法则所支配。通常选择传感器的原则有以下几点：(1)足够的容量：传感器的工作范围足够大，且具有一定的过载能力。(2)与检测、控制系统的匹配性好，转换灵敏度高，其输出信号与被测输入信号成确定关系，且比值较大。(3)精度适当，且稳定性高：传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求，并能长期稳定地工作。(4)反应速度快，工作可靠性好。(5)使用经济，成本低，寿命长，且易于使用、维修和校准。4.2.1.微处理器模块 这个模块相当于整个系统的大脑，能够对采集到的压力异常信号进行有效的去噪、识别处理，通过对采集到的信息进行有效的分析、准确定位泄露的具体位置，及时准确的提供具体报警信息。4.2.3.无线通信模块 这个模块主要负责将采集到的压力波信息在各个节点之间准确的、低损耗的传递，保证相对完整的信息能够准确到达处理终端，为后期的识别做准备。如图4-2所示。图4.1 无线通信的发送接收程序流程图4.3模块硬件的选择4.3.1压力传感器模块的选择1 处理器模块的选择 由于无线传感器网络节点工作环境的复杂性和特殊性,因此对于节点硬件尤其是处理器的选择必须遵循以下几条原则: (1) 成本低 对于无线传感器网络设计来说,在完成技术指标要求的前提下如何降低成本成为了衡量节点设计好坏的重要衡量标准。在一般情况下,无线传感器节点需要在一个范围较大的区域内布置成百上千个无线传感器节点,因此就需要降低单个节点的硬件成本。 (2) 存储和计算能力 在无线传感器网络搭建完成后,每个节点都要负责对周围信息的采集和数据的传输,因此需要有足够的存储空间来把节点对周围环境采集到的信息进行存储;同时无线传感器节点还要具有对采集到的信息进行处理加工的能力,将采集到的信息处理成可以传送的数据包形式;在数据传输过程中传感器节点还需要根据路由协议来选择路径将信息出送到中心节点,再由中心节点将信息传送给汇聚节点最后直到上位机。因此保证能够完成技术要求的存储和计算能力对于无线传感器节点来说非常重要。 (3) 低功耗 无线传感器节点都是由电池进行供电,也是节点能量的唯一来源,通常情况下无线传感器网络都是应用在野外艰苦的环境,因此很难随时更换电池,这就要求节点在工作是要有很低的能量消耗,从而延长节点的寿命,保证整个无线传感器网络能够正常运转。 (4) 良好的扩展性和灵活性 由于无线传感器网络建立之后会不断有新节点加入,这就需要在节点设计时保证节点具有良好的扩展性。也就是说无线传感器节点的接口必须具有统一性和完整性,可以方便的实现与其他传感器节点进行对接。同时无线传感器节点接口设计时应该具有灵活多样性,这样其他不同接口的节点加入该网络。 (5) 稳定和安全性 由于无线传感器网络节点的工作环境十分恶劣,这就要求节点无论在什么条件下都要能够稳定的完成任务,同时还要保证信息能够安全的传达到上位机而不被其他网络终端截获。 在无线传感器网络节点的硬件设计中,对于处理器模块的设计是最核心的部分,处理器选择的好坏直接影响了节点的性能和工作质量。处理器的选择还决定了软件设计时的简易程度、操作系统的选择以及程序的移植性是否良好等问题。 很多情况下,处理器模块可以由数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)来进行实现。数字信号处理器具有属于自己的单独结构和指令集合,非常适合需要处理的数据量非常大的情况下使用。在无线传感器节点中,数字信号处理器可以将无线通信设备发出的模拟信号转变成数字信息。虽然数字信息处理器在信号处理方面非常出色,但是在无线传感器大多只是将采集到的信息转发到上位机,因此数字信号处理器在无线传感器网络中并不能将优势充分发挥出来。 处理器模块除了可以选择数字信号处理器(DSP)外,还可以选择现场可编程逻辑阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)或者某些特定情况下专用的集成电路来实现。尽管现场可编程逻辑阵列可以重新编写程序来更好的适合环境和完成人物,但是对于大量传感器节点来说这需要相当多的时间,因此现场可编程逻辑阵列在传感器节点中的应用不算广泛。专用集成电路则可以根据具体问题具体情况来选择相应的处理器,可以更好的满足设计需要。目前在选择无线传感器节点处理器模块时大多选用微控制器,微控制器可以很好的与其他设备连接,同时功耗较低。可以根据需要对其编程,灵活性较好。 本文在选择处理器模块是不仅仅要满足处理器选择的普遍要求,同时还要看重以下几点: (1) 外形尽量小:因为无线传感器节点要尽量方便携带和布置 (2) 不仅功耗低还要有休眠模式:通常情况下输油管道不会发生泄露故障,因此在大多数情况下保持睡眠状态可以更好的延长节点使用寿命。 (3) 运行速度快:在发现管道泄露时可以快速的从睡眠状态中苏醒,快速的投入工作。 所以采用PTJ206广东浩捷电子压力传感器，它的特性 1:采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。 2:采用自主研发放大电路大大提高传感器信号输出稳定性3:采用反应速度能用40000次每秒的速度,使得传感器能在任何时间能都能反应出液压力的变化,更准确无误的测量效果. 4:采用耐高温芯体,在高温介质状态下进行,对电路进行高温的输出补偿电路.使传感器测量高温介质时也不会影响传感器输出的准确性它具备的特性：等压力测量与控制。 量 程: 0150(MPa) 综合精度: 0.5%FS 输出信号: 420mA(二线制) 供电电压: 24DCV(936DCV) 介质温度: -20200 环境温度: 常温(-2085) 负载电阻: 电流输出型：最大800；电压输出型：大于50K 绝缘电阻: 大于2000M (100VDC) 密封等级: IP65 长期稳定性能: 0.1%FS/年 振动影响: 在机械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS 电气接口(信号接口): 四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母 机械连接(螺纹接口): 1/2-20UNF、M141.5、M201.5、M221.5等，其它螺纹可依据客户要求设计。4.3.2 处理器模块的选择：本文选择飞思卡尔公司生产的MC9S08GT32作为MCU,选择 MC13192作为射频芯片。MC9S08GT32 简介 MC9S08GT32 是飞思卡尔公司生产的超低功耗单片机,该单片机基于 S08 核制造,主要性能如下: (1) CPU HCS08 内核,总线频率 40MHz;拥有 16 位 HX 寄存器,灵活方便访问。可以支持一个等待和三个停止模式,可以提供低功耗模式。 (2) 存储器 MC9S08GT32 具有 32K 字节的闪存和 2K 的片上 RAM,完全满足 ZigBee 网络协议栈的需求。 (3) 背景调试模块 对 HCS08 内核可以方便快捷的写入和调试,大大降低难度并且加快了开发速度。 (4) 数模转换模块 8/10 位的采样精度,2MHz 的采样频率,完全满足一般传感器对于数字输出和模拟输入的要求。 (5) 开发环境 支持多种语言开发。MC9S08GT32 支持两个数据接送串口,每个串口数据发送和接收分别由 TX和 RX 两根线来完成。如果 MC9S08GT32 串口需要接到电脑的串口外设时,可能会出现电平不匹配的问题,因此本设计选用的一款 MAX3232 作为电平转换。MAX3232 是 TI 公司推出的一款芯片,该器件内部拥有两个驱动器、两个用于信号接收的接收器并且还包含了一个电压发生器的电路,由于内部设备完善,因此在使用时只需要在外围搭建很少的电路变可以达到解决单片机与外设电脑连接时产生电平不匹配的问题。 断时,在查询过中断标志寄存器之后判断和做出相应的处理结果。在节点空间时,MC13192 处于低功耗状态,因此 MCU 需要通过 ATTN 管脚将射频芯片唤醒。MC13192 的使能收发器则由 RXTXEN 管脚完成。在节点空闲为了降低节点能量损耗,射频芯片关闭收发器,当节点需要发送和接收数据时才使能唤醒,这样能延长节点使用寿命。MCU 通过 RSTB 管脚对工作异常的射频芯片进行硬件复位。同时 MC9S08GT32 还有 3 根控制线,在正常工作是为了防止噪声干扰,通常情况下会在 PTE4 和 PTE6 连接时加上 10K的电阻。4.4数据采集现场数据采集主要是对前端的压力、温度及流量分别通过温度传感器、压力传感器和流量传感